TWI451224B - 動態電壓調整裝置及相關輸電系統 - Google Patents

Description

動態電壓調整裝置及相關輸電系統

本發明係指一種動態電壓調整裝置及相關輸電系統，尤指一種可於傳輸電能至遠端負載時，確保負載兩端具有穩定壓差的動態電壓調整裝置及相關輸電系統。

一般而言，各式電力系統往往需要透過傳輸線(例如同軸電纜、電線)等媒介將電力傳送到一遠端的負載。然而，實際的傳輸線具有不同的非理想傳輸阻抗，會造成電流由傳輸線流至負載時產生不同的傳輸壓降。此壓降可能造成負載的損壞或運作不穩定。

請參考第1圖，第1圖為習知一輸電系統10之示意圖。輸電系統10包含有一電源轉換器(power convertor)100、一傳輸線102、一負載104及一回授電路106。輸電系統10係用來將電源轉換器100所產生之一輸出電壓VOUT，透過傳輸線102傳送至負載104。電源轉換器100包含有一誤差放大器108及一電源轉換單元110。電源轉換器100係利用誤差放大器108比較一參考電壓VREF及來自回授電路106之一回授訊號FB之差值，使電源轉換單元110產生穩定的輸出電壓VOUT。傳輸線102包含有一正向傳輸線LINE1及一反向傳輸線LINE2，其係分別用於電源轉換器100至負載104之正向傳輸，及由負載104至電源轉換器100之反向傳輸。回授電路106係由電阻R1、R2所組成，其係透過分壓方式將輸出電壓VOUT分壓而得回授訊號FB，即FB =×VOUT 。

當電源轉換器100開始供應輸出電壓VOUT至負載104時，正向傳輸線LINE1及反向傳輸線LINE2上始產生一負載電流I_LOAD。正向傳輸線LINE1及反向傳輸線LINE2分別具有一正向傳輸線阻R_LINE1及反向傳輸線阻R_LINE2，因此負載電流I_LOAD流經正向傳輸線LINE1及反向傳輸線LINE2上時，將分別產生一正向壓差ΔV1=I_LOAD*R_LINE1及一反向壓差ΔV2=I_LOAD*R_LINE2。換句話說，負載電流I_LOAD由電源轉換器100流至負載104時，將產生正向壓差ΔV1之壓降，而負載電流I_LOAD由負載104流回電源轉換器100時，將產生反向壓差ΔV2之壓降。因此，負載104所接受到之一負載輸出電壓LOAD_VOUT將等於電源轉換器100端之輸出電壓VOUT減去正向壓差ΔV1，即LOAD_VOUT=VOUT-ΔV1。相同地，負載104之一接地端之電位LOAD_GND將會較電源轉換器100端之地電位GND高出反向壓差ΔV2之壓差，即LOAD_GND=GND+ΔV2。因此，負載104端將會在輸電起始及結束瞬間分別受到一相當於ΔV1+ΔV2的壓差。此瞬間的突波可能會造成系統損壞。

由於在輸電系統10中，回授點係取樣於靠近電源轉換器100端的輸出電壓VOUT，故輸電系統10係控制輸出電壓VOUT為參考電壓VREF及回授訊號FB之差值的函數，即VOUT =f (VREF -FB )。由於參考電壓VREF為一定值，而回授訊號FB僅包含輸出電壓VOUT的訊息，故輸電系統10將無法得知負載電流I_LOAD流經傳輸線102所產生的壓差ΔV1、ΔV2的訊息，亦無法據以調整電源轉換器100的輸出電壓VOUT，導致無法調整負載104端產生ΔV1+ΔV2的壓差。

請參考第2圖，第2圖為輸電系統10運作之相關訊號時序示意圖。如第2圖所示，當輸電系統10起始及結束輸出負載電流I_LOAD至負載104的瞬間，電源轉換器100側的輸出電壓VOUT將會分別稍微降低及升高，但誤差放大器108隨即感應到輸出電壓VOUT的變化，並透過回授機制將輸出電壓VOUT歸回原本準位。如第2圖所示，在輸電系統10輸出負載電流I_LOAD的期間，負載端104的負載輸出電壓LOAD_VOUT將與輸出電壓VOUT相較具有一正向壓差ΔV1之壓降，而負載端104的負載接地電位LOAD_GND將相較於電源轉換器100側的接地電位GND高出反向壓差ΔV2之壓差。因此，負載端104所受到的壓差即為負載輸出電壓LOAD_VOUT與負載接地電位LOAD_GND的差值，即LOAD_VOUT-LOAD_GND。因此，由第2圖可知，負載端104在輸電系統10輸出負載電流I_LOAD的起始及結束瞬間將分別受到相當於ΔV1+ΔV2的壓差，而此壓差有可能造成負載端104的損壞。由此可知，傳輸線102的線阻效應將導致電源轉換器100無法透過負回授機制，控制負載104接收到穩定的電壓。因此，負載104將收到一與傳輸線102之線阻有關的壓差，亦可能因此壓差而損壞。

因此，如何改善習知輸電系統中，如何使負載端不會因傳輸之線阻而產生壓差，並可接收到穩定的電壓，已成為業界所努力的目標之一。

因此，本發明提供一種動態電壓調整裝置及相關輸電系統，用來於傳輸電能至遠端負載時，確保負載兩端具有穩定壓差。

本發明係揭露一種動態電壓調整裝置，用來動態調整一輸電系統之一輸出電壓，該輸電系統用來根據一回授訊號及一參考訊號產生該輸出電壓，並透過一傳輸線將該輸出電壓傳送至一遠端負載，以產生一負載電流，該動態電壓調整裝置包含有一第一訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一正向傳輸壓降的一第一訊號；一第二訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一反向傳輸壓降的一第二訊號；一第三訊號端，用來接收一參考電壓；一回授電路，耦接於該第一訊號端，用來根據該第一訊號，產生該回授訊號；以及一加法電路，用來根據該第二訊號及該參考電壓，產生該參考訊號。

本發明係另揭露一種輸電系統，包含有一遠端負載；一傳輸線，用來將一輸出電壓傳送至該遠端負載，以產生一負載電流；一電源轉換器，用來根據一回授訊號及一參考訊號，產生該輸出電壓；以及一動態電壓調整裝置，包含有：一第一訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一正向傳輸壓降的一第一訊號；一第二訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一反向傳輸壓降的一第二訊號；一第三訊號端，用來接收一參考電壓；一回授電路，耦接於該第一訊號端，用來根據該第一訊號，產生該回授訊號；以及一加法電路，用來根據該第二訊號及該參考電壓，產生該參考訊號。

請參考第3圖，第3圖為本發明實施例一輸電系統30之示意圖。輸電系統30包含有一電源轉換器(power convertor)300、一傳輸線302、一負載304及一動態電壓調整裝置305。電源轉換器300、傳輸線302及負載304之運作方式及架構與第1圖中輸電系統10之電源轉換器100、傳輸線102及負載104類似，因此沿用相同元件符號。輸電系統30與輸電系統10不同之處在於，輸電系統30增設了動態電壓調整裝置305，其可分別取樣負載304兩端之負載輸出電壓LOAD_VOUT及負載接地電位LOAD_GND，以使輸電系統30輸出不同負載電流I_LOAD時，可依據傳輸線302上所產生的不同傳輸壓降，動態地調整電源轉換器300之參考電壓，以控制負載304兩端之壓差保持穩定，並且避免不穩定壓差造成負載304損壞。

詳細而言，請繼續參考第3圖，動態電壓調整裝置305包含有一回授電路306及一加法電路307。回授電路306之運作方式及架構與第1圖中回授電路106類似，因此沿用相同元件符號。然而，不同於回授電路106取樣自電源轉換器100側的輸出電壓VOUT，回授電路306係取樣負載304側的負載輸出電壓LOAD_VOUT，以產生一回授訊號FB’至電源轉換器300。加法電路307可接收電源轉換器300原有之固定值參考電壓VREF、電源轉換器300端之接地端GND電位及負載304端的負載接地端LOAD_GND電位，以產生一動態參考電壓VREF’至電源轉換器300。回授電路306取樣之負載輸出電壓LOAD_VOUT及加法電路307接收之負載接地電位LOAD_GND係分別對應於電源轉換器300供應負載電流I_LOAD至負載304時，傳輸線302之正向傳輸線LINE1及反向傳輸線LINE2上分別產生的正向壓差ΔV1及反向壓差ΔV2。在習知技術中，輸電系統10之負載104的兩端會因傳輸線102之傳輸線阻而產生壓差，而可能導致損壞。相較之下，輸電系統30之動態電壓調整裝置305可根據對應於傳輸線302上之傳輸壓差，動態地調整電源轉換器300之參考電壓，以控制負載304兩端之壓差可保持穩定，以避免損壞。

進一步地，以下說明動態電壓調整裝置305保持負載304兩端壓差穩定之運作。由於輸出電壓VOUT至負載輸出電壓LOAD_VOUT具有正向壓差ΔV1的壓降(即LOAD_VOUT=VOUT-ΔV1)，故回授電路306產生之回授訊號FB’包含有對應於傳輸線302之正向壓差ΔV1的訊息，且可表示為：

另外，由於負載接地電位LOAD_GND至電源轉換器端之接地電位GND具有反向壓差ΔV2的壓降(即GND=LOAD_GND-ΔV2)，故加法電路307可透過負載接地電位LOAD_GND及接地電位GND，得知傳輸線302之反向壓差ΔV2。舉例而言，可透過簡單加減運算得到ΔV2=LOAD_GND-GND。接著，加法電路307透過參考電壓VREF及反向壓差ΔV2，產生動態參考電壓VREF’至電源轉換器300。例如，可透過簡單加減運算得到VREF’=VREF+ΔV2。

接著，類似於電源轉換器100，電源轉換器300之一誤差放大器308將比較加法電路307所產生的動態參考電壓VREF’及來自回授電路306之回授訊號FB’之差值，使電源轉換器300之一電源轉換單元310產生對應的輸出電壓VOUT。由於電源轉換器300之回授點改為負載304側的負載輸出電壓LOAD_VOUT，故輸電系統30之負回授機制將可保持負載輸出電壓LOAD_VOUT的穩定，且負載輸出電壓LOAD_VOUT及負載接地電位LOAD_GND之間的壓差將為動態參考電壓VREF’及回授訊號FB’之差值的一函數，故可進一步推得下式：

由上式可知，負載304兩端的壓差(即LOAD_VOUT-LOAD_GND)與輸出電壓VOUT之間存在一電壓偏移值ERROR_V，其可表達為

如此，將可透過適當選擇回授電路306的電阻R1、R2之電阻值，使電壓偏移值ERROR_V為ΔV1+ΔV2。換句話說，為了使負載輸出電壓LOAD_VOUT可保持穩定，輸電系統30之負回授機制將迫使電源轉換器300在提供負載電流I_LOAD期間，額外輸出ΔV1+ΔV2的電壓，以補償負載電流I_LOAD流經傳輸線302後所產生的正向壓差ΔV1及反向壓差ΔV2。

請參考第4圖，第4圖為輸電系統30運作之相關訊號時序示意圖。如第4圖所示，當輸電系統30起始及結束輸出負載電流I_LOAD至負載304的瞬間，負載304兩端的壓差(即LOAD_VOUT-LOAD_GND)僅會分別稍微降低及升高，而誤差放大器308將隨即感應到此變化，並透過負回授機制將負載304兩端的壓差歸回原本準位。如第4圖所示，在輸電系統30輸出負載電流I_LOAD的期間，為補償負載電流I_LOAD流經傳輸線302後所產生的正向壓差ΔV1及反向壓差ΔV2，電源轉換器300將額外輸出ΔV1+ΔV2的輸出電壓VOUT。在負載電流I_LOAD流經傳輸線302之正向傳輸線阻R_LINE1達負載304端後，輸出電壓VOUT至負載輸出電壓LOAD_VOUT將具有正向壓差ΔV1之壓降，故負載輸出電壓LOAD_VOUT仍比輸出電壓VOUT高出ΔV2的額外補償值。至於負載端304的負載接地電位LOAD_GND，其相較於電源轉換器300側的接地電位GND高出反向壓差ΔV2之壓差。因此，負載輸出電壓LOAD_VOUT及負載接地電位LOAD_GND在相減後恰可互相抵消，故負載端304兩端的壓差(即LOAD_VOUT-LOAD_GND)將可保持穩定，不如輸電系統10之負載端104兩端會具有與傳輸線的線阻值相關的壓差，其可能會造成負載104的損壞。

因此，第3圖之動態電壓調整裝置305之目的在於透過分別取樣負載端304兩端之電位，以動態調整電源轉換器300的參考電壓，使電源轉換器300的輸出電壓能具有傳輸線302之壓差的函數，故能使負載304兩端的壓差保持穩定。需注意的是，第3圖所示之動態電壓調整裝置305並無限制用於特定類型的電源轉換器，而可用於不同電源轉換器、穩壓器(voltage regulator)、電源供應器等裝置。本領域技術人員可對動態電壓調整裝置305可做適當調整，以符合不同應用的需求。舉例而言，於另一實施例中，回授電路306可包含於電源轉換器300。另外，於另一實施例中，加法電路307亦可由其他電路實現，只要能產生對應於傳輸線302之壓差的訊號至電源轉換器300即可。

舉例來說，請參考第5圖及第6圖，其為依據本發明不同實施例，適當修改動態電壓調整裝置305而應用於具有不同類型電源轉換器之輸電系統的示意圖。詳細而言，第5圖為本發明實施例一輸電系統50之示意圖。輸電系統50包含有一電源轉換器500、一傳輸線502、一負載504及一動態電壓調整裝置505。動態電壓調整裝置505包含有第3圖所示的回授電路306及加法電路307。傳輸線502、負載504及動態電壓調整裝置505之運作方式及架構大致相同於第3圖中輸電系統30之傳輸線302、負載304及動態電壓調整裝置305，因此沿用相同元件符號。電源轉換器500為一切換式(switching)降壓(buck)轉換器，其可將一輸入電壓VIN轉換為較低的輸出電壓VOUT。電源轉換器500包含有一誤差放大器508及一電源轉換單元510，誤差放大器508之運作類似誤差放大器308，並可產生一誤差結果ER。電源轉換單元510包含有一比較器512、一功率級電路514。比較器512可比較誤差放大器508產生之誤差結果ER與三角波TRG之間的差異，以產生具有一特定工作週期(duty)，且互為反向之驅動訊號VDRV、VDRV_B至功率級電路514。功率級電路514係由一上橋開關N1、一下橋開關N2、一電感L及一電容C所組成，其係根據驅動訊號VDRV、VDRV_B，切換輸入電壓VIN或地端與電感L之連結，進而透過電感電容效應，將輸入電壓VIN轉換為適當之輸出電壓VOUT。動態電壓調整裝置505類似動態電壓調整裝置305，可依據傳輸線502上所產生的不同傳輸壓降，動態地調整電源轉換器500之參考電壓，以控制負載504兩端之壓差可保持穩定，不在此贅述。

請繼續參考第6圖，第6圖為本發明實施例一輸電系統60之示意圖。輸電系統60包含有一電源轉換器600、一傳輸線602、一負載604及一動態電壓調整裝置605。動態電壓調整裝置605包含有第3圖所示的回授電路306及加法電路307。傳輸線602、負載604及動態電壓調整裝置605之運作方式及架構大致相同於第3圖中輸電系統30之傳輸線302、負載304及動態電壓調整裝置305，因此沿用相同元件符號。電源轉換器600為一低壓降(Low-Dropout，LDO)線性電源轉換器，其可將輸入電壓VIN轉換為一較低的輸出電壓VOUT，而其運作為本領域技術人員所熟知，故不在此贅述。

請繼續參考第7A-7D圖，其為第3圖的加法電路307之不同實施例示意圖，分別利用一至三個運算放大器實現，而其運作方式為本領域技術人員所熟知，不在此贅述。加法電路307可接收電源轉換器300原有之固定值參考電壓VREF、電源轉換器300端之接地端GND電位及負載304端的負載接地端LOAD_GND電位，以產生動態參考電壓VREF’至電源轉換器300。需注意的是，加法電路307亦可用不同電路實現，亦不限於進行單純加減運算，只要能透過負載接地端LOAD_GND電位及接地端GND電位得知傳輸線302之反向壓差ΔV2，並據以產生一相關於反向壓差ΔV2的動態參考電壓VREF’至電源轉換器300即可，不在此限。

需注意的是，本發明的精神在於透過直接取樣遠端的負載輸出電壓，而非取樣輸出電壓。因此，可得知傳輸線上負載電流造成的線阻壓差，並動態調整電源轉換器的輸出電壓，使其具有線阻壓差的函數，故可在不同負載電流下，動態調整對應於不同線阻壓差的輸出電壓，以確保負載可接收穩定的電壓。根據不同應用，本領域技術人員可據以作出適當變化或調整。例如，本發明之軟式關機電路不限用於切換式電源轉換器或線性電源轉換器，而可用於不同電源轉換器、穩壓器(voltage regulator)、電源供應器等裝置或任何其他需確保遠端負載電壓穩定的應用。另外，可適當選擇回授電路306的電阻R1、R2之電阻值，使電源轉換器300額外輸出不同的輸出電壓VOUT，以補償傳輸線302的壓差。

綜上所述，不同於習知技術取樣輸出電壓作為回授訊號，本發明之動態電壓調整裝置分別取樣負載兩端之電壓，因此可依據傳輸線的不同傳輸壓降，動態地調整電源轉換器之參考電壓，以控制負載兩端之壓差保持穩定，並且避免不穩定負載損壞。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、30、50、60．．．輸電系統

100、300、500、600．．．電源轉換器

102、302、502、602．．．傳輸線

104、304、504、604．．．負載

305、505、605．．．動態電壓調整裝置

106、306．．．回授電路

307．．．加法電路

108、308、508、608．．．誤差放大器

110、310、510、610．．．電源轉換單元

512．．．比較器

514、614．．．功率級電路

LINE1．．．正向傳輸線

LINE2．．．反向傳輸線

R_LINE1、R_LINE2．．．傳輸線阻

ΔV1、ΔV2．．．壓差

I_LOAD．．．負載電流

LOAD_VOUT．．．負載輸出電壓

VOUT．．．輸出電壓

FB、FB’．．．回授訊號

VREF．．．參考電壓

VREF’．．．動態參考電壓

LOAD_GND．．．負載接地電位

GND．．．接地電位

C．．．電容

L．．．電感

第1圖為一習知輸電系統之示意圖。

第2圖為第1圖中輸電系統運作之相關訊號時序示意圖。

第3圖為本發明實施例一輸電系統之示意圖。

第4圖為第3圖之輸電系統運作之相關訊號時序示意圖。

第5圖為本發明實施例一輸電系統之示意圖。

第6圖為本發明實施例一輸電系統之示意圖。

第7A至7D圖為依據不同實施例，第3圖之輸電系統之一加法器之細部示意圖。

30．．．輸電系統

300．．．電源轉換器

302．．．傳輸線

304．．．負載

305．．．動態電壓調整裝置

306．．．回授電路

307．．．加法電路

308．．．誤差放大器

310．．．電源轉換單元

LINE1．．．正向傳輸線

LINE2．．．反向傳輸線

R_LINE1、R_LINE2．．．傳輸線阻

ΔV1、ΔV2．．．壓差

I_LOAD．．．負載電流

LOAD_VOUT．．．負載輸出電壓

VOUT．．．輸出電壓

FB’．．．回授訊號

VREF．．．參考電壓

VREF’．．．動態參考電壓

LOAD_GND．．．負載接地電位

GND．．．接地電位

Claims (14)

1. 一種動態電壓調整裝置，用來動態調整一輸電系統之一輸出電壓，該輸電系統用來根據一回授訊號及一參考訊號產生該輸出電壓，並透過一傳輸線將該輸出電壓傳送至一遠端負載，以產生一負載電流，該動態電壓調整裝置包含有：一第一訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一正向傳輸壓降的一第一訊號；一第二訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一反向傳輸壓降的一第二訊號；一第三訊號端，用來接收一參考電壓；一回授電路，耦接於該第一訊號端，用來根據該第一訊號，產生該回授訊號；以及一加法電路，用來根據該第二訊號及該參考電壓，產生該參考訊號。
2. 如請求項1所述之動態電壓調整裝置，其中該傳輸線包含有：一第一輸入端，耦接於該輸出電壓；一第二輸入端，耦接於一接地端；一第一輸出端，耦接於該遠端負載；以及一第二輸出端，耦接於一負載地端。
3. 如請求項2所述之動態電壓調整裝置，其中該遠端負載係耦接於該第一輸出端與該第二輸出端之間、該第一訊號端係耦接於該第一輸出端，且該第二訊號端係耦接於該第二輸出端。
4. 如請求項2所述之動態電壓調整裝置，其中該正向傳輸壓降係該負載電流由該第一輸入端流至該第一輸出端的壓降，且該反向傳輸壓降係該負載電流由該第二輸出端流至該第二輸入端的壓降。
5. 如請求項1所述之動態電壓調整裝置，其中該回授電路係將該第一訊號分壓，以產生該回授訊號。
6. 如請求項1所述之動態電壓調整裝置，其中該加法電路係將該第二訊號與一接地端電位相減，以得到該反向傳輸壓降，並將該反向傳輸壓降與該參考電壓相加，以得到該參考訊號。
7. 如請求項1所述之動態電壓調整裝置，其中該輸電系統係根據該參考訊號與該回授訊號之差，產生該輸出電壓。
8. 一種輸電系統，包含有：一遠端負載；一傳輸線，用來將一輸出電壓傳送至該遠端負載，以產生一負載電流；一電源轉換器，用來根據一回授訊號及一參考訊號，產生該輸出電壓；以及一動態電壓調整裝置，包含有：一第一訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一正向傳輸壓降的一第一訊號；一第二訊號端，用來接收對應於該傳輸線之一反向傳輸壓降的一第二訊號；一第三訊號端，用來接收一參考電壓；一回授電路，耦接於該第一訊號端，用來根據該第一訊號，產生該回授訊號；以及一加法電路，用來根據該第二訊號及該參考電壓，產生該參考訊號。
9. 如請求項8所述之輸電系統，其中該傳輸線包含有：一第一輸入端，耦接於該輸出電壓；一第二輸入端，耦接於一接地端；一第一輸出端，耦接於該遠端負載；以及一第二輸出端，耦接於一負載地端。
10. 如請求項9所述之輸電系統，其中該遠端負載係耦接於該第一輸出端與該第二輸出端之間、該第一訊號端係耦接於該第一輸出端，且該第二訊號端係耦接於該第二輸出端。
11. 如請求項9所述之輸電系統，其中該正向傳輸壓降係該負載電流由該第一輸入端流至該第一輸出端的壓降，且該反向傳輸壓降係該負載電流由該第二輸出端流至該第二輸入端的壓降。
12. 如請求項8所述之輸電系統，其中該回授電路係將該第一訊號分壓，以產生該回授訊號。
13. 如請求項8所述之輸電系統，其中該加法電路係將該第二訊號與一接地端電位相減，以得到該反向傳輸壓降，並將該反向傳輸壓降與該參考電壓相加，以得到該參考訊號。
14. 如請求項8所述之輸電系統，其中該輸電系統係根據該參考訊號與該回授訊號之差，產生該輸出電壓。